基于MCGS和CAN總線的糧庫溫濕度監測系統

包建華+喬曦+王亮+宋博

摘要：設計一種基于CAN總線網絡的糧庫溫濕度分布式監測系統，通過安裝于現場的智能CAN節點，可實現糧庫多點溫濕度數據的采集與變送。為解決CAN總線與上位PC機串口數據交換問題，設計了一個CAN/RS232通信轉換模塊。上位機可視化監控界面在通用版組態軟件MCGS平臺下開發，主要負責溫濕度數據的顯示、保存、管理以及采集的調度。對于用戶自主設計的單片機應用系統，MCGS沒有提供現成的底層設備驅動程序，基于MCGS腳本驅動開發工具并結合系統功能分析，開發了MCGS串口驅動構件。現場調試表明，整個系統實時性、穩定性良好，完全達到設計要求。

關鍵詞：糧庫；溫濕度；MCGS；CAN總線；驅動程序

中圖分類號： TP273 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0394-03

糧食儲藏是國家備戰備荒的重要戰略舉措，糧庫糧情監測是科學保糧的關鍵措施之一[1]。而溫濕度是影響倉儲過程中糧食品質的主要因素，因此，如何快速、準確地檢測糧庫的溫度和濕度并及時進行處理，對糧食的安全儲藏意義重大。早期糧庫溫濕度參數常采用人工方法來進行檢測，用到的檢測手段有雙金屬溫度計、毛發濕度計、干濕度表和濕度試紙等，這些方法效率低、勞動強度大且測量精度低[2]。1998年以來，國家啟動糧食儲備倉庫建設，工程先后分為3批，糧食儲備規模超過250億kg。目前，對于糧情監測，各大糧庫相繼采用以計算機為核心的網絡監控系統，但從實際運維情況看，仍有進一步改進的空間。

為解決汽車中眾多控制與測試儀器之間的數據交換問題，德國博世（Bosch）公司于20世紀80年代開發了控制器局域網CAN（controller area network），這是一種有效支持分布式控制系統的串行通信網絡，它屬于現場總線的范疇。相比于傳統的RS-485總線，CAN總線主要特點表述如下[3]：

（1）多主技術。網絡上的任一節點不分主從，可在任意時刻主動地向其他節點發送信息，同時，發送的節點信息具有不同的優先級，以滿足不同的實時性操作需要。

（2）高可靠性。節點在發生嚴重錯誤時，通過自動關閉其輸出來斷開與總線的聯系，保證了總線上其他節點的正常操作。

（3）完善的錯誤監測機制。采用短幀結構，每1幀的有效字節數為8個，短幀傳輸時間短，受干擾概率低；每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數據的出錯率極低。

上述優良特性使得CAN總線廣泛應用于汽車工業、工業控制、航空工業、現代農業、醫療器械及樓宇自動化等領域，CAN總線已被公認為最有前途的現場總線之一。本研究中的糧庫溫濕度分布監測系統信息傳輸就是基于CAN總線串行通信網絡。

MCGS（monitor and control generated system）是北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司開發的通用版組態軟件，它提供了監控層的軟件平臺和開發環境，其靈活的組態方式，可使用戶快速構建專業級的可視化監控系統。為了提高糧情監測系統的可靠性，增強糧情監測功能，本研究設計了基于MCGS和CAN總線的糧庫溫濕度分布式監測系統。

1 系統總體方案

為實現某大型糧庫多點溫濕度檢測目的，設計了一種基于CAN總線網絡的分布式監測系統。布放于各測量現場的CAN節點結構完全相同，主要由現場單片機、集成溫濕度傳感器、獨立CAN控制器、CAN總線驅動器組成，現場單片機主要負責溫濕度數據的采集并將數據傳送至CAN總線。CAN/RS232通信轉換模塊主要包括管理單片機、獨立CAN控制器、CAN收發器、MAX232核心芯片，管理單片機主要負責CAN節點與上位PC機（以下簡稱上位機）間的通信聯絡控制。

上位機主要負責溫濕度數據的保存、顯示、管理以及采集的調度，其可視化監控界面基于MCGS平臺開發，上位機與管理單片機之間通過RS232串行口互換數據，筆者通過MCGS平臺下的串口驅動構件開發，可以實現組態軟件MCGS與管理單片機間的軟件通信功能。系統總體框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

系統中硬件電路設計主要包括單片機與溫濕度傳感器的接口電路設計、CAN總線接口電路設計、RS232接口電路設計?，F場單片機和管理單片機都選用宏晶公司的增強型8位單片機STC89C52，RS232接口電路簡單通用，而傳感器接口電路和CAN總線接口電路設計如下。

2.1 溫濕度采集電路

系統中選用的AM2311是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，其敏感元件包括1個電容式感濕元件和1個高精度測溫元件，并與1個高性能8位微處理器相連接。成品化傳感器都通過嚴格的濕度校驗室校準，校準系數儲存于微處理器的存儲單元中，以供傳感器內部在處理檢測信號時調用，測量精度高，抗干擾能力強。通信接口采用標準I2C接口模式，可直接掛接于I2C總線上，無需額外布線。

AM2311具有4個引腳，與單片機接口連接方便。系統中AM2311與現場單片機的接口電路如圖2所示，SCL為串行時鐘引腳，與STC89C52單片機的P3.5管腳相連，用于相互間數據通信同步，SDA引腳內部為三態雙向結構，與STC89C52的P3.4相連，用于讀、寫傳感器數據。

2.2 CAN總線接口電路

CAN總線接口是所有設備或其他網絡連接到CAN總線的橋梁，負責CAN協議的解釋與執行，并為CAN節點中的微處理器提供CAN總線的狀態信息。

本研究的CAN總線接口電路主要由SJA1000芯片和PCA82C250芯片構成。SJA1000由NXP半導體公司推出，它是一種獨立CAN控制器，可以工作于BasicCAN和PeliCAN這2種協議，BasicCAN支持CAN2.0A協議，PeliCAN支持具有很多新特性的CAN 2.0B協議，位速率可達1 Mbit/s，擁有完善的錯誤管理機制，能夠實現CAN協議中最復雜的數據鏈路層功能，微處理器通過對SJA1000編程設置其工作方式，控制其工作狀態，啟動CAN報文的發送并對反饋的報文予以接收。PCA82C250是CAN控制器與CAN總線之間的接口芯片，它一方面為CAN控制器提供差分信號的接收功能，同時為CAN總線提供差分信號的發送功能，PCA82C250屬于高速CAN總線驅動器[4]。

CAN總線接口電路的原理圖設計見圖3。STC89C52單片機負責數據處理和SJA1000的初始化，并通過SJA1000的1組控制寄存器和1個RAM報文緩沖器實現數據收發功能。SJA1000的AD0～AD7連接到STC89C52的P0.0口，片選/CS端連接到STC89C52的P2.0，對應的CPU片外存儲器基址為0xFE00，在此情況下STC89C52可以對SJA1000進行訪問的地址范圍為0xFE00～0xFE31。SJA1000的/RD、/WR、ALE分別連接至STC89C52的相應引腳，/INT接STC89C52的/INT1，STC89C52可在中斷服務程序中訪問SJA1000。SJA1000的復位端/RST為低電平有效，其接STC89C52的P2.7口。

PCA82C250的CANH和CANL引腳分別通過1個5 Ω的限流電阻與CAN總線相連，以降低過流對PCA82C250的影響，CANH、CANL與地之間各自連接了1個30 pF的小電容，以起到濾除CAN總線上高頻噪聲的作用。PCA82C250的RS端通過47 kΩ電阻接地，使其工作于斜率控制方式。

3 系統軟件設計

軟件設計主要包括溫濕度數據采集、CAN總線通信、MCGS串口驅動以及上位機組態等。CAN總線通信程序和MCGS串口驅動程序是本系統軟件設計中的核心與關鍵，設計思路如下。

3.1 CAN總線報文收/發程序

CAN總線通信程序設計包括CAN節點初始化、CAN總線報文發送程序設計和CAN總線報文接收程序設計。CAN通信前首先需要對SJA1000進行初始化參數設置，與初始化有關的寄存器有：總線定時寄存器BTR、中斷使能寄存器IER、時鐘分頻寄存器CDR、輸出控制寄存器OCR。CAN初始化只能在復位模式下進行。初始化完成后，CAN控制器就可以設置進入工作模式，執行正常的通信任務，需要用到SJA1000的命令寄存器、狀態寄存器、中斷寄存器、接收緩沖區、發送緩沖區等。CAN總線的通信任務程序包括報文發送子程序及報文中斷接收子程序[5]。

為使程序結構緊湊，CAN總線通信軟件設計中定義了1個結構體struCAN_Comm，其成員變量有：報文ID、報文性質（遠程幀或數據幀）、報文長度、報文類型（擴展幀或標準幀）。根據輸入參數配置該結構體，是發送子程序的主要任務。在向SJA1000發送報文之前，首先需要判斷其是否正在接收數據、上次發送是否成功以及發送緩沖器是否鎖定等，以保證數據發送的可靠性[5]。填充報文結構體是中斷接收子程序的主要任務，為防止干擾引起錯誤中斷，需要在進入中斷服務程序后先判斷接收緩沖區是否有數據。報文發送和報文接收的程序流程分別如圖4和圖5所示。

3.2 MCGS串口驅動構件開發

目前，MCGS串口驅動構件開發有2種途徑，一種是MCGS軟件廠商提供了1套開放的、可擴充的接口規范和配套的高級開發工具包，允許用戶根據自己的需要來開發設備驅動構件，另一種提供配套的MCGS腳本驅動開發工具實現用戶個性化開發。腳本驅動開發屏蔽了大量技術細節且步驟標準，因此本研究的MCGS串口驅動構件開發采用了第2種途徑，具體開發內容涉及設備屬性定義、設備通道添加、設備命令編寫和設備腳本代碼編輯。

設備屬性定義了串口驅動構件添加到MCGS通用串口父設備后顯示的屬性，包括設備名稱、注釋、數據采樣周期等參數，此處選用默認參數。設備通道是現場設備與MCGS實時數據庫中的數據對象間信息溝通的橋梁。設備命令為現場設備與MCGS系統之間的方法接口，它利用MCGS腳本開發環境下提供的強大庫函數，通過編程設置可以方便地實現數據解析、數據處理、與MCGS系統的數據交換等功能，設備命令類似于系統的功能子函數[6-7]。設備腳本包括采集腳本、單通道寫腳本、初始化腳本、退出腳本等。

為保證數據通信正常，本研究串口驅動構件的開發采用ACSⅡ碼通訊協議（字符型協議），其格式為：“@” +“xx” + “command”?！癅”是幀頭，長1個字符；“xx”是設備地址，固定長2個字符；“command”表示設備命令，由MCGS系統關鍵字確定。下面以1#CAN節點的溫濕度檢測為例，給出其采集腳本代碼。

4 系統調試與運行

管理單片機通過串口和上位機交換數據，其外接晶振頻率為11.059 2 MHz，在單片機的初始化程序中編寫語句TH1=0xFD、SMOD=0，可獲得9 600 bps的通信波特率，該波特率誤差率恰好為0，串口通信的可靠性大大提高[8]?；贛CGS腳本驅動開發工具設計好的程序以mdr格式保存，將此文件拷貝到D：＼MCGS＼Program＼Drivers的目錄下，通過在MCGS組態環境下的設備窗口中添加該串口驅動構件，能夠實現MCGS與管理單片機之間的通信。

在MCGS組態環境中新建“糧庫溫濕度監測系統.MCG”工程，按照糧庫溫濕度監測系統功能要求，遵循通用版組態軟件MCGS的組態方法，完成系統上位機可視化監控界面的開發工作。所有組態工作完成后，按“F5”鍵進入MCGS運行環境，系統上位機運行主界面如圖6所示。

5 結論

設計的糧庫溫濕度監測系統采用分布式結構，通過布置于現場的智能CAN節點，可以實現糧庫不同監測點溫濕度數據的采集與變送。考慮到目前商用PC機一般不具備CAN通信接口，設計了1個CAN/RS232通信轉換模塊，用以實現CAN總線數據和RS232串口數據間的互換[9]。上位機統一監測界面基于MCGS平臺開發，人機交互友好。MCGS與底層單片機之間的通信驅動程序需要用戶自己開發，為此，筆者基于MCGS腳本驅動開發工具開發了MCGS串口驅動構件，現場調試表明，MCGS與單片機之間數據通信穩定可靠，實時性高。

參考文獻：

[1]王永志，劉媛媛. 大型糧庫的溫濕度監測報警控制系統[J]. 農機化研究，2008（8）：167-169.

[2]袁 江，曹金偉，邱自學，等. 基于WSN的糧庫溫濕度無線監測系統[J]. 測控技術，2012，31（4）：77-81.

[3]饒運濤，鄒繼勇，王進宏，等. 現場總線CAN原理與應用技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[4]盧 超. 基于CAN總線分布式礦井溫濕度監測系統研發[J]. 煤炭科學技術，2011，39（9）：94-99.

[5]鄧德源，王成棟，苗 強. 基于CAN總線的溫濕度在線監測系統設計[J]. 儀表技術與傳感器，2012（12）：40-42.

[6]黎志剛，王俊元，劉 波. 基于MCGS的SMC電動執行器控制方法研究[J]. 制造業自動化，2014，36（7）：16-18.

[7]朱 林，李蘭云. 嵌入式系統在稀土萃取流量控制中的應用[J]. 自動化儀表，2013，34（3）：34-37.

[8]包建華. 基于MCGS的步進電機控制系統設計[J]. 計算機測量與控制，2012，20（3）：702-704.

[9]王 強，張建喜. RS232通信網絡與CAN總線通信網絡互聯設計[J]. 電子技術應用，2010，36（9）：158-160.